真空断路器同步操作研究

摘要

为了解决真空断路器在关合和开断时涌流和过电压对电力系统和电力设备的冲击和破坏，出现了真空断路器同步关合的概念，并出现了很多研究成果。但长期以来，真空断路器所配的操动机构都是弹簧机构，由于同一弹簧机构每次动作时间的分散性很大，使得真空断路器的同步关合和开断的研究都局限于高压或超高压系统。由于中低压系统所配的真空断路器动作时间相对较短，所以无法实现同步操作。永磁机构的出现，解决了弹簧机构动作时间分散性大、结构复杂、易出故障部件多等缺陷，使得同步操作技术的研究迅猛发展，也使得配永磁机构的真空断路器在中低压系统中开始大量使用。
　　本文分析了预击穿产生的原理和预击穿对配永磁机构真空断路器实现同步关合的影响。通过对真空断路器的直流实验，得出了直流电压的大小与发生预击穿时的触发间隙的大小的关系。通过对比不同的合闸速度曲线来分析合闸速度对预击穿的影响。对真空断路器施加交流电源，实验在小角度发生预击穿的情况，并通过施加直流小电压在真空断路器两端，检测传感器在刚合位置时的电压，从而得到小角度发生预击穿时准确的击穿间隙大小。在不同的电压相位关合真空断路器，测出在不同的交流击穿电压下击穿间隙的变化情况，并找出击穿电压和击穿间隙之间的关系式。根据前面的交直流实验，计算出在电压幅值变化率最大处（电压零点）实现同步关合所要求的刚合速度。分析在同样幅值的击穿电压时，击穿间隙的变化情况。通过采集大量的实验数据，分析永磁机构合闸时间的离散对实现同步关合影响，并研究了实现同步关合时对合闸时间离散范围的要求。
　　同步控制的目的是在关合或开断真空断路器时，减小系统暂态过程中的涌流和过电压。文中分析了在投切容性负载、并联电抗器和变压器时过电压产生的机理，计算出在不同的负载特性下实现同步控制的最佳相位。研究了在投入并联电容器组、空载变压器、有载变压器和有源有载变压器时涌流产生原理，计算出实现合闸涌流最小时的最佳合闸相位。根据电力机车过分相区时运行工况的多样性，仿真和分析了负载阻抗大小对投入有载变压器并实现同步控制的影响。以SS4型电力机车过分相区时的运行状态为研究对象，分析和仿真了在变压器二次侧的电源相位与一次侧电源相位不同时，选择合适的同步合闸相位，可以减小合闸涌流。
　　研究了变压器磁场特性，并对铁芯磁化模型进行简化，以分段线性化折线来代替实际的磁滞曲线，可以简化分析和仿真过程。比较无剩磁空载变压器和有剩磁空载变压器在投入时的情况，总结出根据剩磁的大小和方向来选择最佳合闸相位。还验证了在有剩磁情况下投入有载变压器时负载阻抗对合闸涌流的影响不大，以便符合电力机车过分相区时的不同的运行工况。研究了变压器出现再饱和现象的一些必要条件。对有剩磁时投入有源有载变压器合闸情况进行分析，并把一二次侧电源的不同相位与涌流的关系进行仿真。
　　在中国铁道科学研究院的环线试验站进行动车组过分相试验。通过试验，验证在有剩磁情况下投入有载变压器这个模型的分析和仿真结果，并进一步总结剩磁对涌流的影响。也验证了选相合闸对不选相合闸的优势所在。

目录

声明

致谢

摘要

序

1 绪论

1．1 真空断路器操动机构的发展

1．1．1 断路器操动机构的分类

1．1．2 永磁机构的发展

1．1．3 永磁机构的分类

1．2 断路器同步操作

1．2．1 高压断路器同步操作的发展

1．2．2 中压断路器同步操作的发展

1．3 真空断路器控制技术

1．4 论文的主要研究内容

2 预击穿对同步控制的影响

2．1 真空电击穿的原理和影响因素

2．2 真空断路器预击穿原理

2．3 实验原理装置

2．4 直流预击穿特性

2．4．1 直流电压大小对预击穿的影响

2．4．2 直流电压下合闸速度对预击穿的影响

2．5 交流预击穿特性

2．5．1 交流电压大小对预击穿的影响

2．5．2 交流电压情况下合闸速度对预击穿影响

2．6 交直流预击穿特性的差异性

2．7 合闸分散性对预击穿特性的影响

2．7．1 合闸时间分散性范围研究

2．7．2 合闸时间分散性与合闸相位的研究

2．8 本章小结

3 同步控制中过压与涌流问题分析

3．1 不同负载特性过电压分析

3．1．1 投切容性负载过电压分析

3．1．2 投切并联电抗器过电压分析

3．1．3 投切变压器过电压分析

3．2 容性负载涌流分析

3．3 不同负载特性变压器涌流分析

3．3．1 变压器空载投入时涌流分析

3．3．2 变压器有载投入时涌流分析

3．3．3 变压器有源有载投入时涌流分析

3．4 本章小结

4 剩磁对同步控制的影响

4．1 剩磁及其影响

4．2 变压器磁场特性

4．3 考虑剩磁时变压器空载合闸分析

4．4 考虑剩磁时变压器有载合闸分析

4．4．1 有剩磁时负载对变压器合闸影响

4．4．2 有剩磁时同步关合有载变压器的仿真分析

4．4．3 有剩磁时关合有载变压器再饱和仿真分析

4．5 考虑剩磁时变压器有源有载合闸理论分析

4．6 考虑剩磁时变压器有源有载合闸仿真分析

4．6．1 仿真模型建立

4．6．2 β值对励磁涌流的影响

4．6．3 剩磁对涌流的影响

4．6．4 二次侧残压大小对合闸相位和涌流的影响

4．7 本章小结

5 同步控制在过分相中的试验研究

5．1 自动过分相工作原理

5．2 自动过分相电气原理图

5．3 铁科院环线试验

5．4 自动过分相静态试验分析

5．4．1 静态试验合闸涌流分析

5．4．2 静态试验过电压分析

5．5 自动过分相动态试验分析

5．5．1 动态试验合闸过电压分析

5．5．2 动态试验合闸涌流分析

5．5．3 动态试验分闸分析

5．6 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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